可重构智能表面技术白皮书：通道建模视角
前言
可重构智能表面（RIS）技术作为一种新兴的无线通信技术，在3GPP技术研究中被视为潜在的性能提升方案。该白皮书专注于RIS的信道建模和仿真方法，旨在为3GPP 6G研究中RIS性能评估设定基准。RIS设备作为准被动设备，其信道建模需要区别于传统移动网络中的主动节点或感测对象。
RIS 部署方案
RIS技术具有增强覆盖范围和容量的潜力，因此运营商对其部署场景进行了研究。白皮书定义了多种潜在评估场景，包括：
- 户外宽LOS辐射角度覆盖
- 有源阵列能源增强元素养护（OACE）
- 动态平面NLOS室内覆盖（InCE）
- 静态或半-屏蔽（O2I/I2OCE）
- 低姿态Collaboration of覆盖率NLOS 和 LOSSensing增强反射路径定位（LACE）
- SU-MIMO 和 MU-MIMO场景
建议优先部署的场景包括：
- FR2频段的室外静态或半静态覆盖增强
- FR2频段的室内静态或半静态覆盖增强
- FR2频段的室外到室内/室内到室外静态或半静态覆盖增强
- FR2频段的室外动态覆盖增强
- FR2频段的室内动态覆盖增强
RIS 类型和假设
RIS技术具有多种类型，包括反射RIS、传输RIS、STAR（同时传输与反射RIS）、吸收器RIS等。白皮书根据初始RIS部署需求，筛选了不同类型的RIS属性组合，优先考虑以下属性：
- 物理模式：反射、透射、吸收
- 工作模式：被动、主动、混合、传感
- 应用模式：继电器、新型天线
- 面板形状：平面、非平面
- 极化：单、双
- 相位：1位、2位、连续
- 调制：非信息、信息-调制
假设基于线性假定的RIS物理模型，包括无线信道的洛伦兹互易性、频率范围、带宽、远场假设以及RIS级联方案中的最大弹跳数等。
信道建模方法
RIS信道建模与传统通信建模框架不同，需要考虑基站-无线接入设备（RIS）信道、无线接入设备-用户设备信道以及无线接入设备自身的物理模型。建模框架需满足以下要求：
- 高精度链路建模，独立建模基站-RIS链路和RIS-UE链路
- 考虑RIS的散射模式、理想相位移以及角度依赖性
- 处理多径衰落，反映复杂环境下的信道衰落特性
- 对系统仿真的物理简化和优化
白皮书建议基于增强的3GPP TR38.901信道模型，构建BS-UE、BS-RIS、RIS-RIS或RIS-UE的每跳基本信道模型。对于多跳情况，如BS-RIS-RIS-UE，白皮书建议根据复杂性和准确性的权衡原则选择逻辑路径，并使用方向树图进行建模。
RIS 物理模型
RIS物理模型主要基于等效辐射方向图和电磁RCS模型。白皮书介绍了三种主要方法：
- 基于等效辐射方向图的物理模型：通过等效辐射方向图表示RIS对信号的响应，包括物理光学方法、电磁RCS模型和简化的余弦辐射模式模型
- 电磁RCS模型：利用电磁理论建立精确的RCS模型，描述RIS元件在复杂电磁环境下的反射特性
- 简化的余弦辐射模式模型：使用简化的天线辐射模式假设，采用COSSIN模型描述RIS元素的方向特性
白皮书建议使用等效辐射模式来表征RIS对信号的调制效应，并介绍了基于物理光学和PEC矩形片假设的RIS物理模型。
RIS 信道模型
RIS信道由BS-RIS、RIS-UE和BS-UE链路组成，每个链路的信道参数独立生成和演进，包括大尺度和小尺度信道参数。白皮书提出了以下模型：
- 路径损耗模型：参考ISAC系统中用于目标信道的级联路径损耗建模方法，并提出了修正的浮动截获（FI）和近距（CI）路径损耗模型
- 快速衰落模型：基于GBSM模型原理，扩展3GPP TR 38.901中的通信信道模型，考虑BS-RIS-UE链路的快速衰落
- 模型复杂度降低方法：提出了多径卷积简化方法，包括保留高功率簇和基于功率阈值进行修剪
模拟假设
白皮书定义了系统级仿真假设，包括网络布局模型、传播模型、天线和波束形成模式建模以及其他仿真参数。网络布局模型包括：
- 小区边缘的RIS，移动体均匀分布
- 细胞中间的RIS，细胞边缘的移动体
- 小区边缘的RIS和移动设备
传播模型考虑了BS-RIS-UE链路的传播特性，并讨论了小区间干扰问题。天线和波束形成模式建模包括基站天线阵列、UE天线阵列和RIS天线建模。其他仿真参数包括载波频率、信道带宽、调度信道、活动数量、交通模型、功率控制等。
结论
白皮书提出了适用于可重构智能表面的工程可行的信道模型，在平衡建模精度和仿真的实用性方面达到了3GPP的要求。所提出的信道模型和仿真方法可以作为3GPP中研究RIS的起点。
